Antimikrobni potencijal CRISPR-Cas sistema obećava, ali kako najbolje dizajnirati ili implementirati CRISPR nukleaze ostaje slabo shvaćeno. Međunarodni tim na čelu sa Helmholc institutom za istraživanje infekcija zasnovanih na RNK (HIRI) u Vircburgu je sada rešio ovaj jaz u znanju.
Istraživači su sproveli prvo sistematsko ispitivanje CRISPR antimikrobnih sredstava koristeći bakterije otporne na više lekova i hipervirulentne kao studije slučaja, otkrivajući široke varijacije u efikasnosti koje se mogu predvideti putem skrininga visoke propusnosti i mašinskog učenja. Njihovi nalazi su objavljeni u časopisu Istraživanje nukleinskih kiselina.
Otkriće antimikrobnih jedinjenja kao što su konvencionalni antibiotici transformisalo je medicinu, omogućavajući lečenje infekcija koje su se nekada smatrale neizlečivim. Međutim, razvoj novih agenasa je usporen, dok je nepravilna upotreba postojećih antibiotika podstakla pojavu rezistencije na antibiotike. Shodno tome, postoji sve veća potreba za novim sredstvima za iskorenjivanje patogena.
CRISPR-Cas sistemi, adaptivni imuni mehanizmi koje bakterije koriste za odbranu od virusne invazije, nude posebno rešenje kroz svoj kapacitet da selektivno eliminišu mikrobe zasnovane isključivo na genetskim sekvencama. Ipak, do danas, nedostaju sistematske studije za procenu efikasnosti ovih CRISPR antimikrobnih sredstava – posebno na različitim nukleazama, ciljnim mestima i sojevima bakterija.
Rešavajući ovu prazninu, međunarodni tim predvođen Helmholc institutom za istraživanje infekcija zasnovanim na RNK (HIRI), mestom Braunšvajg Helmholc centra za istraživanje infekcija (HZI) u saradnji sa Julius-Makimilians-Universitat Vurzburg (JMU), je sada je preduzeto prvo sveobuhvatno ispitivanje ovih novih agenata. Njihovo istraživanje se fokusira na Klebsiella pneumoniae, bakteriju ozloglašenu po povezanosti sa rezistencijom na antibiotike.
„Klebsiella pneumoniae nudi posebno upečatljivu studiju slučaja s obzirom da se sastoji od brojnih sojeva sa različitim karakteristikama virulencije i otpornosti“, kaže Chase Beisel, šef odeljenja za RNA sintetičku biologiju na HIRI i profesor na Medicinskom fakultetu JMU. On je predvodio međunarodnu studiju u saradnji sa istraživačima sa Instituta Pasteur u Parizu, Francuska, Univerziteta u Tel Avivu u Izraelu, HZI, i Univerziteta u Torontu u Kanadi.
Tim je kombinovao stručnost u CRISPR tehnologijama, bakterijama Klebsiella, isporuci bakteriofaga, ekranima visoke propusnosti i mašinskom učenju potrebnom za sprovođenje studije ove razmere.
CRISPR-Cas sistemi koriste sofisticirani odbrambeni mehanizam: CRISPR ribonukleinska kiselina (RNA) pomaže da se otkriju regioni stranog genoma, kao što su DNK ili RNK, za ciljano cepanje. Nakon toga, CRISPR-povezana (Cas) nukleaza seče svoju metu slično paru molekularnih makaza.
Naučnici su otkrili da različite CRISPR nukleaze pokazuju veoma različitu efikasnost. U njihovim eksperimentima, nukleaze koje ciljaju na DNK pokazale su superiorne performanse u poređenju sa onima koje su se fokusirale na RNK.
Štaviše, različiti tipovi K. pneumoniae pokazali su varijaciju u svojoj osetljivosti na CRISPR antimikrobni lek, uprkos upotrebi identičnih nukleaza za ciljanje na identična mesta. Elena Vialetto, prvi autor studije i bivši dr. student u laboratoriji Beisel, kaže: „Varijabilna antimikrobna aktivnost između srodnih bakterija bila je iznenađujuća s obzirom na upotrebu istih CRISPR konstrukata. Ovu razliku smo pripisali savijanju CRISPR RNK koje usmeravaju DNK ciljanje.“
Beisel dodaje: „Ova studija je prva koja pokazuje da antibakterijska efikasnost može varirati čak i između srodnih sojeva.“
Da bi istražili karakteristike koje bi mogle da poboljšaju ciljanje u različitim sojevima, istraživači su sproveli pregled genoma u različitim tipovima K. pneumoniae. Ovaj napor je doneo principe dizajna i parametre za moguće CRISPR antimikrobne lekove i olakšao obuku algoritma za predviđanje njihove efikasnosti.
Tim se takođe upustio u sledeću fazu razvoja aktivnog agensa, odnosno u isporuku. Istraživači su koristili bakteriofage kao nosače za CRISPR antimikrobne lekove, koje su opremili modifikovanim repnim vlaknima kako bi povećali domet CRISPR tereta.
Ova studija postavlja osnovu za dalji razvoj CRISPR-a kao sredstva za prevenciju ili lečenje infekcija otpornih na antibiotike.
„Nadamo se da će ovaj rad doneti veću vidljivost korišćenju CRISPR-a kao antimikrobnog sredstva prilagođenog spektra u tekućoj borbi protiv rezistencije na antibiotike“, zaključuje Beisel.
